DIMENSIONNEMENT PAR OPTIMISATION DES INDUCTEURS A AIMANTS POUR APPLICATION AUXILIAIRE AUTOMOBILE

HAL Id: tel-00389339

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00389339

Submitted on 28 May 2009

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

DIMENSIONNEMENT PAR OPTIMISATION DES INDUCTEURS A AIMANTS POUR APPLICATION

AUXILIAIRE AUTOMOBILE

Manuela Mateos Bugatti

To cite this version:

Manuela Mateos Bugatti. DIMENSIONNEMENT PAR OPTIMISATION DES INDUCTEURS A AIMANTS POUR APPLICATION AUXILIAIRE AUTOMOBILE. Sciences de l’ingénieur [physics].

Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2004. Français. �tel-00389339�

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

N° attribué par la bibliothèque

|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|

T H E S E pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’INPG Spécialité : « Génie Electrique »

préparée au Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble

dans le cadre de l’Ecole Doctorale « Electronique, Electrotechnique, Automatique, Télécommunication et Signal »

présentée et soutenue publiquement

par

Manuela MATEOS BUGATTI le 19 novembre 2004

Titre :

DIMENSIONNEMENT PAR OPTIMISATION DES INDUCTEURS A AIMANTS POUR APPLICATION AUXILIAIRE AUTOMOBILE

Directeurs de thèse : Jean-Paul YONNET

Christian CHILLET

JURY

M. Albert Foggia , Président

M. Jean-Marie Kauffman , Rapporteur

M. Stephan Astier , Rapporteur

M. Jean-Paul Yonnet , Directeur de thèse

M. Christian Chillet , Directeur de thèse

M. Serge Brassard , Examinateur

A mi amor Thierry,

no existen las palabras capaces de

expresarte mi profundo agradecimiento.

"Tout le monde savait que c’était impossible.

Il est venu un imbécile qui ne le savait pas et qui l’a fait"

Marcel Pagnol

Remerciements

Le présent travail est le fruit d’une collaboration entre le Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble et Ugimag dans le cadre d’une convention CIFRE. De nombreuses personnes ayant contribués de près ou de loin à ce travail, j’espère qu’ils trouveront ici l’expression de ma sincère gratitude.

Je tiens à remercier tous d’abord les membres du jury pour le grand intérêt qu’ils ont montré pour mon travail. Je remercie M. Albert Foggia, Professeur à l’Institut National Polytechnique de Grenoble, de m’avoir fait l’honneur de présider ce jury. Je remercie vivement M. Jean-Marie Kauffmann, Professeur à l’Université de Franche- Comté et directeur du Laboratoire d’Electronique, Electrotechnique et Systèmes ainsi que M. Stephan Astier, Professeur à l’Institut National Polytechnique de Toulouse, d’avoir accepté d’être rapporteurs de cette thèse, d’avoir examiné mon mémoire avec beaucoup d’attention, et de leurs remarques et questions pertinentes lors de la soutenance. Je remercie M. Jean-Paul Yonnet, Directeur de recherche CNRS et directeur de cette thèse, de m’avoir accueilli dans l’équipe Matériaux du LEG (à présent équipe MADEA) et de m’avoir toujours fait confiance.

Difficile de remercier comme ils le méritent, les deux personnes qui ont sans aucun doute le plus contribué au bon déroulement et à l’aboutissement de cette thèse. Ca a été un véritable plaisir de travailler avec eux.

M. Chistian Chillet, Chargé de recherche CNRS, pour l’encadrement de cette thèse et son soutien permanent aussi bien scientifique que humain. Comment le remercier pour tant de choses ? Son sens pédagogique, sa patience, sa disponibilité, ces précieux conseils et son réel intérêt pour mon sujet de thèse. Merci également de nous avoir permis à quelques uns de découvrir le canyoning.

M. Serge Brassard, Ingénieur R&D pour la société Ugimag, pour avoir rendu possible un travail scientifique dans un contexte industriel, pour son soutien et sa confiance.

Son grand intérêt pour mon travail de thèse, ces remarques toujours constructives, ainsi que son sens pratique et son bon sens en général ont été très précieux.

Je ne peux pas oublier de remercier les nombreuses personnes qui ont contribué à rendre mon passage au LEG plus agréable.

Afef Lebouc pour son grand coeur, Frédéric Wurtz pour nos discussions sur

l’optimisation et bien d’autres choses, Jean-Paul Ferrieux et Gérard Meunier pour leur

réel intérêt pour les problèmes des thésards, Robert Perret pour sa grande humanité

et sa mémoire des personnes passés au LEG, Jean-Christophe Crébier (dit JC) pour

sa personnalité et sa bonne humeur, Renaud Chareille pour nos longues

conversations, Daniel Tomasik pour faciliter mes recherches bibliographiques, Claude

Brun (plus connue comme Djidji) et François Blache pour leur bonne humeur,

Jacques Davoine, Laurent Gerbaud, Orphée Cugat, Jérôme Delamare, Marylin

Fassenet...

Le service informatique, composé du trio d’enfer Patrick Eustache (le Chef), Corinne Marcon et Vincent Danguillaume pour m’avoir permis de travailler de façon confortable.

Les secrétaires Danielle Collin, Monique Boizard et Elise Riado, pour leur gentillesse et leur disponibilité.

Les responsables de la Kfet de l’ENSIEG Kamel et Marc pour leur sympathie et les superbes moments de detente passés en leur compagnie.

Sans oublié mes camarades de galère (les autres thésards). Gareth Pugsley et son adorable femme Mélanie ainsi que Farid Allab et Saïda pour être de réels amis en toutes circonstances, Ianko Valero et Jeza la femme qui partage sa vie pour plein de moments sympathiques, Raphaël Caire (Raph Raph) âme généreuse, toujours prêt à aider les autres et merveilleux prof/danseur de salsa, Miguel Fontela García mon asturien préféré, Christophe Cartier-Millon (mondialement connue comme CCM) pour sa gentillesse à tout moment, Gilles Debiens (Gillou) pour ces mythiques coups de gueule contre l’ordinateur, Alban Marino pour être différent, Sébastien Gréhant pour son bon sens dans la vie, Aktham Asfour pour être entre autre le gardien de la porte, Christophe Gombert pour nos cours d’escrime, Stephan Sterpu (Aldo depuis Aussois’04), Jiri Stepanek pour sa bonne humeur légendaire, Hynek Raisigel, Jérôme Meunier-Carus, Damien Thirault et Laurent Albert (dit le Laule) pour de supers moments et le partage du bureau, David Magot pour ces conseils en optimisation, Vincent Fisher pour animer la salle CDI, Franck Verdière (Francky), Nicolas Achotte, Hervé Rostaing, Malik Megdiche, Guillaume Verneau, Laurent Cheyroux (dit Lolo, tu ne fais par partie du LEG mais c’est tout comme)...

Je souhaite également remercier les personnes avec qui j’ai pu travailler ou discuter lors des périodes passés sur le magnifique site Ugimag de St-Pierre d’Allevard. Mon ami Michel Durand pour son aiguillage vers les différents services de l’usine, son aide dans les mesures moteurs, sa bonne humeur et nos discussions lors des repas à la Grolle, François Debernard pour le co-voiturage et nos réflexions sur la vie, Christophe Badonnel pour de bons moments, Lionel Fine pour son aide précieuse lors de l’élaboration du Basic, Belkacem Bouaoune pour son stage, Anne-Marie Hinger pour ces conseils administratifs avertis et sa gentillesse, Bernadette Brunet- Manquat pour les nombreux papiers, Laurent Staelens, Julien Breuzin et Pierre Lecussan pour leur bonne humeur lors de nos réunions magnétisme...

Finalmente, gracias a mi familia por su apoyo incondicional todos estos largos años de estudios. Os quiero mucho! Agradezco de todo corazón a Teresa y a Geno por haber venido desde Madrid para asistir a mi defensa de tésis y por haber preparado un magnifico “pot” de tesis a la española. Y a Teresa por haber leido y corregido las faltas de este manuscrito.

Merci, merci, merci!!!

Table des matières

7

TABLE DES MATIERES

I NTRODUCTION ... 11

C ^HAPITRE 1 C ONTEXTE ET PROBLEMATIQUE DE L ’ ^ETUDE : D IMENSIONNEMENT DE L ’ INDUCTEUR D ’ UN MOTEUR ELECTRIQUE ... 15

1.1 Introduction...15

1.2 Le rôle de l’inducteur...15

1.3 Domaine d’application ...17

1.4 Contexte de l’étude...18

1.4.1 Contraintes techniques ... 19

1.4.2 Contraintes industrielles et économiques... 20

1.5 Méthodologie de conception de l’inducteur...20

1.5.1 Principales étapes du processus de conception ... 20

1.5.2 Nécessité d’un logiciel d’aide au dimensionnement... 23

1.5.3 Les modèles d’aide au dimensionnement... 23

1.5.4 Méthodologie de dimensionnement par optimisation... 25

1.5.5 Dimensionnement par optimisation à l’aide de pro@DESIGN... 25

1.6 Procédure d’optimisation des inducteurs/moteurs...26

1.7 Conclusion...27

C HAPITRE 2 C ONTRAINTES INDUSTRIELLES DE FABRICATION DES SEGMENTS FERRITES ... 31

2.1 Introduction...31

2.1.1 Les matériaux pour aimants : cycle d’hystérésis... 31

2.2 Les aimants ferrites et leurs propriétés ...33

2.2.1 Différentes nuances d’aimants ferrites... 33

2.2.2 Tenue en température... 34

2.2.3 Autres propriétés intrinsèques des aimants ferrites... 35

2.3 Fabrication des segments ferrites...35

2.3.1 Préparation des poudres : calcination et broyage... 37

2.3.2 Pressage ... 37

2.3.3 Frittage... 38

2.3.4 Usinage ... 39

2.3.5 Dispersion de fabrication ... 39

2.4 Faisabilité des segments ferrites...40

2.4.1 Méthodologie d’analyse de la faisabilité... 40

2.4.2 Modèle de faisabilité d’un segment ferrite ... 41

2.5 Coût des segments ferrites ...43

2.5.1 Modèle de coût d’un segment ferrite... 43

2.6 Conclusion...44

C ^HAPITRE 3 M ODELISATION ANALYTIQUE MAGNETIQUE ... 47

3.1 Introduction...47

3.2 La méthode de résolution formelle des équations de champ ...47

3.2.1 Principe de la méthode ... 48

3.2.2 Application au moteur à aimants en surface... 48

3.3 Calcul de l’induction créée par les segments...50

3.3.1 Description de la géométrie du moteur ... 50

3.3.2 Structure équivalente du moteur permettant le calcul... 51

3.3.3 Résumé des hypothèses du modèle... 57

3.3.4 Mise en équations : modèle multi-couche... 57

3.3.5 Résolution... 58

Dimensionnement par optimisation de l’inducteur/moteur

8

3.3.6 Intérêt du modèle multi-couches ... 60

3.4 Expressions du flux...61

3.5 Expressions des inductions dans les différentes parties du moteur ...62

3.6 Calcul de la force électromotrice ...63

3.6.1 Fém d’une bobine... 63

3.6.2 Fém du bobinage ... 65

3.7 Validation du modèle analytique magnétique...68

3.7.1 Induction créée par le segment... 69

3.7.2 Flux et niveaux d’induction dans le moteur... 70

3.7.3 Flux et fém aux bornes d’une spire... 71

3.8 Conclusion...72

C ^HAPITRE 4 M ODELISATION ANALYTIQUE DE LA DESAIMANTATION ... 75

4.1 Introduction...75

4.2 Le phénomène de la désaimantation...75

4.3 Evaluation et enjeu économique de la désaimantation...78

4.4 Calcul analytique de la désaimantation ...79

4.4.1 La problématique du champ interne ... 79

4.4.2 Mise en équations : modèle en éléments... 80

4.4.3 Résolution... 82

4.4.4 La méthode de calcul de la désaimantation... 84

4.5 Validation de la méthode de calcul de la désaimantation...88

4.5.1 Les mesures réalisées... 89

4.5.2 Le calcul des polarisations rémanentes des éléments ... 90

4.5.3 Discussions des résultats du calcul de la désaimantation ... 92

4.6 Conclusion...93

C ^HAPITRE 5 D IMENSIONNEMENT PAR OPTIMISATION DE L ’ ^INDUCTEUR / ^MOTEUR ... 97

5.1 Introduction...97

5.2 Programmation automatique de l’outil de dimensionnement par optimisation à l’aide de pro@DESIGN ...98

5.2.1 Considérations sur la génération de l’outil de dimensionnement... 98

5.2.2 Considérations sur l’optimisation... 100

5.3 Application à l’optimisation d’un inducteur/moteur...101

5.3.1 Définition du cahier des charges... 101

5.3.2 Résultats des optimisations et comparaison avec le moteur initial... 102

5.4 Conclusion...107

C ONCLUSION ...111

A ^NNEXES ...115

A. Description de la géométrie du moteur B. Définition de la géométrie en couches du segment C. Coefficients pour le calcul des champs D. Expression du coefficient de saturation E. Modélisation électromécanique du moteur F. Expression du champ magnétique créé par le bobinage G. Compléments sur le moteur pour application ABS optimisé N OMENCLATURE ...165

R EFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ...175

Introduction

Introduction

11

Dans le domaine des auxiliaires automobiles, avec plus de 40 millions d’automobiles fabriquées annuellement, plus d’un milliard de moteurs électriques sont fabriqués dans le monde chaque année. Aujourd’hui on rencontre dans un véhicule automobile une vingtaine de moteurs ou actionneurs électriques à aimants ferrites (moteur de ventilation du radiateur, de climatisation, d’essuie-glaces, de lève vitre...) et la centaine devrait être dépassée à la fin de cette décennie.

La principale technologie utilisée est celle du moteur à courant continu à aimants ferrites en raison de son faible coût. Mais des avancées technologiques et des considérations de fiabilité et de réduction de la consommation électrique font que l’on voit apparaître de plus en plus de moteurs brushless (moteurs synchrones à commutation électronique) pour des applications comme la ventilation moteur ou la climatisation.

La problématique de conception de ces petits moteurs (de quelques dizaines de watts à environ deux kilowatts) reste complexe car elle doit tenir compte d’un nombre important de paramètres de caractères différents, constituant le cahier des charges. Ce sont par exemple les performances (couple, vitesse, tenue à la désaimantation des aimants…), l’encombrement, le poids, le coût, la difficulté de fabrication (risque d’éloignement par rapport à un standard de faisabilité)… De plus, dans un contexte fortement concurrentiel, le moteur doit répondre à un juste besoin au meilleur coût.

Face à cette problématique, il est très utile pour les fabricants d’aimants ainsi que pour les équipementiers automobiles de disposer d’un outil informatique d’aide au dimensionnement. Cet outil doit être capable de concevoir l’inducteur au meilleur coût en répondant aux besoins définis par le cahier des charges d’un moteur électrique de type courant continu ou brushless. Ces travaux ont été menés dans le cadre d’un contrat de collaboration avec la société Ugimag, fabricant de segments ferrites et assembleur d’inducteurs pour auxiliaire automobile.

Dans un premier chapitre, nous verrons les principales contraintes d’ordre technique mais aussi industrielles et économiques imposées aux inducteurs d’auxiliaire automobile. Ces contraintes permettent de comprendre plus précisément les raisons qui poussent à vouloir disposer d’un véritable outil de dimensionnement et non plus seulement d’un outil d’analyse. Pour réaliser cet outil, nous justifierons le choix d’une procédure de dimensionnement par optimisation à partir d’un modèle analytique et d’une méthode du gradient. L’utilisation de pro@DESIGN pour générer l’outil de dimensionnement, ramène l’essentiel de ce travail de thèse à l’élaboration d’un modèle analytique décrivant l’inducteur.

Les trois chapitres suivants traitent de l’élaboration du modèle analytique de

l’inducteur ; modèle technico-économique et industriel. Le second chapitre examine

en détail les contraintes et difficultés liées à la réalisation industrielle des segments

ferrites, afin d’élaborer un modèle de coût et de faisabilité de ceux-ci. Le troisième

chapitre présente le modèle analytique de calcul de l’induction magnétique créée par

les aimants et sert de base au calcul des performances de l’inducteur/moteur. Enfin,

le quatrième chapitre propose un modèle analytique de calcul de la désaimantation.

Introduction

12

Celle-ci doit être estimée dès la phase de dimensionnement du moteur, afin d’utiliser au plus juste le volume et les caractéristiques intrinsèques de l’aimant.

Le dernier chapitre propose la mise en œuvre d’un outil de dimensionnement par

optimisation afin de déterminer les grandeurs géométriques et physiques de

l’inducteur/moteur les mieux adaptées à l’objectif défini (réduction du coût, gain de

rendement...) tout en respectant le cahier des charges. Enfin, nous appliquerons

l’outil obtenu à l’optimisation d’un inducteur pour application ABS afin de

minimiser son coût.

Chapitre 1

Contexte et problématique de l'étude : Dimensionnement

de l’inducteur d’un moteur électrique

Chapitre 1 Contexte et problématique de l’étude

15

1.1 Introduction

Ce chapitre a pour but de présenter les inducteurs à aimants ferrites afin de comprendre les besoins en terme de conception et d’optimisation.

Nous verrons, dans un premier temps, le rôle de l’inducteur au sein du moteur électrique. Nous préciserons ensuite, le contexte de notre étude : topologie de l’inducteur, domaine d’application.... Ceci nous amènera à constater la nécessité pour toute entreprise, de se doter d’outils de dimensionnement adaptés. Ce qui nous conduira finalement à définir une méthodologie de dimensionnement la plus efficace possible pour les inducteurs à aimants ferrites.

1.2 Le rôle de l’inducteur

Le rôle magnétique de l’inducteur dans un moteur électrique est de fournir le flux nécessaire à la création du couple. L’inducteur à aimants est constitué d’aimants, créateurs du flux magnétique, et d’une carcasse qui permet le rebouclage de ce flux.

Chapitre 1

Contexte et problématique de l’étude :

Dimensionnement de l’inducteur d’un moteur

électrique

Contexte et problématique de l’étude

16

Balais Segments Palier

Collecteur

Flasque Culasse

Induit INDUCTEUR

Fig. 1.1–Structure d’un moteur à courant continu (sans bobinage induit). En pointillé on trouve les différents éléments constitutifs d’un inducteur à aimants [KENJO 85].

Ainsi sur la Fig. 1.1 on peut voir les éléments constitutifs de l’inducteur pour le cas d’un moteur à courant continu : les segments, la culasse, le palier, le flasque...

Les avantages d’un inducteur à aimants par rapport à un inducteur bobiné sont les suivants [GIERAS 97] :

— L’inducteur n’absorbe pas d’énergie électrique, ceci élimine des pertes Joule, et accroît les performances du moteur. On peut montrer [BRUGEL 81] que l’importance relative de ces pertes par rapport à la puissance utile est d’autant plus élevée que la machine est de taille plus réduite.

— Le couple et la puissance par unité de volume sont plus élevés.

— Les performances dynamiques du moteur sont généralement meilleures grâce à une induction magnétique plus élevée dans l’entrefer et des réactances plus faibles.

— La construction de la machine est plus simple.

— Le coût, volume et poids de l’inducteur sont habituellement inférieurs.

En fonction des objectifs technico-économiques (choix de la qualité des matériaux

utilisés, forme du champ que l’on veut obtenir...), l’inducteur peut prendre des

structures très différentes. La Fig. 1.2 montre quelques unes de ces structures.

Chapitre 1 Contexte et problématique de l’étude

17

On peut classer les inducteurs selon qu’ils possèdent ou non des pièces polaires :

— Dans les inducteurs sans pièces polaires, l’aimant est disposé de façon à couvrir l’arc polaire, fournissant au niveau de l’entrefer une induction égale, aux fuites près, à celle existant dans l’aimant.

— Dans les inducteurs avec pièces polaires, l’induction dans l’entrefer peut être différente de celle existant dans l’aimant. Ces structures peuvent permettre d’obtenir une induction supérieure à celle de l’aimant par concentration de flux.

Fig. 1.2–Différentes structures d’inducteurs à aimants : a) segments à aimantation radiale (bi-polaire), b) segments à aimantation radiale (tetra-polaire), c) anneau aimanté diamétralement d) aimant parallélépipède, e) système noyau à aimant, f) aimant dans un moteur plat, g) aimants SmCo au stator, h) aimants SmCo au rotor [KOCH].

1.3 Domaine d’application

Le domaine d’application qui nous concerne est celui des inducteurs à aimants ferrites utilisés dans la plupart des moteurs électriques d’auxiliaire automobile. Ces moteurs ont une puissance de quelques dizaines à quelques centaines de watts.

En effet, le secteur de l’automobile est le plus grand consommateur mondial d’aimants ferrites. Un fabricant d’aimants comme UGIMAG produit jusqu’à 140 000 segments ferrites par jour ! La production mondiale annuelle de moteurs électriques à aimants ferrites dépasse le milliard d’unités pour un marché d’environ 4 G€

[MULTON 00]. Aujourd’hui on rencontre dans un véhicule automobile une vingtaine

de moteurs ou actionneurs électriques à aimants ferrites (moteur de ventilation du

radiateur, de climatisation, d’essuie-glaces, de lève vitre...) (cf. Fig. 1.3), et la

centaine devrait être dépassée à la fin de cette décennie [DESHPANDE 03].

Contexte et problématique de l’étude

18

Pompe à essence Actionneur d’anti-dérapage Suspension active Réglage

de siège

Actionneur de papillon de

gaz

Direction assisté

Ventilation condenseur de

climatisation Compresseur de

climatisation Démarreur

Pompe à eau Ventilateur de refroidissement

Pompe à vide Alternateur

Actionneur d’embrayage

Essuie-glace avant

Lève-vitre

Toit ouvrant

Lève antenne Essuie-glace arrière Actionneur de

hayon

Actionneur de frein électrique Réglage hauteur

du volant

Pompe ABS

Boite de vitesse automatique

Pompe à huile Pompe à air secondaire

Ventilation et climatisation

Fig. 1.3– Les aimants ferrites dans l’automobile [UGIMAG].

Ces inducteurs étaient jusqu'à il y a peu, exclusivement utilisés dans des moteurs à courant continu en raison de leur faible coût. Mais des avancées technologiques ainsi que des considérations de fiabilité et de réduction de la consommation électrique font que l’on voit apparaître de plus en plus de moteurs brushless (moteurs synchrones à commutation électronique) pour des applications comme la ventilation moteur (cf. Fig. 1.6- b) ou la climatisation.

En effet, la commutation électronique améliore les caractéristiques dynamiques (absence de frottement balais-collecteur), diminue les perturbations radioélectriques (absence d’étincelles), permet le fonctionnement dans des conditions atmosphériques difficiles (corrosion...), augmente les possibilités thermiques du moteur (les courants ne circulent qu’au stator, ce qui facilite le refroidissement) et améliore ainsi le couple massique et la surcharge au niveau électrique. Leur principal handicap reste leur prix de revient élevé à cause de la commande électronique. Cependant cet handicap va s’estomper dans les années à venir du fait de la baisse continuelle du coût de l’électronique de puissance [KANT].

1.4 Contexte de l’étude

Dans un contexte de réduction des coûts, les équipementiers automobiles,

doivent rester compétitifs, et se tournent alors vers leurs fournisseurs afin qu’ils

réalisent des fonctions qu’ils faisaient eux-mêmes dans le passé ; c’est le cas des

inducteurs assemblés par les fabricants de segments ferrites. Cette démarche leur

permet d’économiser sur les coûts de développement, de qualité et de logistique tout

en stimulant la concurrence pour obtenir le meilleur prix possible.

Chapitre 1 Contexte et problématique de l’étude

19

Les fabricants d’aimants doivent alors être capables de concevoir l’inducteur répondant le mieux au cahier des charges du moteur électrique du client, ce qui suppose de prendre en considération la totalité des éléments constituant le moteur électrique, aussi bien pour des moteurs à courant continu que pour des moteurs brushless.

Mais la problématique de conception de l’aimant dans son environnement inducteur/moteur est complexe, car on doit tenir compte d’un nombre important de paramètres de caractères différents, constituant le cahier des charges, comme par exemple les performances (couple, vitesse, résistance à la désaimantation des aimants…), l’encombrement, le poids, le coût des matières premières, la difficulté de fabrication (risque d’éloignement par rapport à un standard de faisabilité)…

L’inducteur doit ainsi répondre à un juste besoin au meilleur coût, ce qui implique le respect de nombreuses contraintes que nous pouvons classer selon leur origine technique, industrielle ou économique.

1.4.1 Contraintes techniques

Le critère de minimisation des coûts a longtemps été le critère essentiel de conception des petits moteurs électriques dans l’automobile. Toutefois, on assiste actuellement à un déplacement des critères de conception dans le sens de l’augmentation des performances et de l’amélioration du rendement de ces petits moteurs, résultant de la prolifération d’organes consommateurs d’énergie au sein d’un véhicule [ALLANO].

On demande alors aux moteurs d’auxiliaire automobile, de meilleurs performances électromécaniques, qu’ils soient de type brushless ou à courant continu. Ceci se traduit par des contraintes supplémentaires au niveau de l’inducteur en terme de :

— Tenue à la désaimantation à basse température (∼-40°C) ; on demande aux ferrites de résister à des champs inverses qui sont parfois importants, comme c’est le cas pour le moteur électrique de démarreur. Pour ces cas extrêmes, le développement de nuances « haut de gamme » avec des performances magnétiques significativement améliorées, grâce à l’utilisation d’additifs comme le La-Co [MOREL 02], ont permis une meilleure tenue à la désaimantation. Ainsi, la désaimantation irréversible des aimants ferrites ne doit pas dépasser une certaine valeur limite fixée par le constructeur (souvent en dessous de 5%). L’enjeu technique est alors de trouver la nuance d’aimant qui permet de s’approcher au mieux de cette limite.

— Réduction du couple réluctant ; ce phénomène à l’origine de l’effort exercé par l’aimant au passage de la denture de l’induit, peut donner lieu à du bruit acoustique non désiré. Une forme d’aimant adaptée à l’induit du moteur permet de réduire ce phénomène.

— Tenue mécanique de l’inducteur ; l’assemblage culasse-aimants (les

aimants sont généralement agrafés, collés ou épinglés à la culasse) doit résister aux

efforts mécaniques générés lors du fonctionnement moteur et aux éventuels chocs

exercés par son environnement.

Contexte et problématique de l’étude

20

— Réduction du poids et du volume ; ces contraintes deviennent de plus en plus importantes du fait de la multiplication des moteurs électriques dans le véhicule...

C’est au concepteur d’utiliser au mieux les dimensions de l’inducteur, la forme, la nuance de l’aimant... afin de répondre au plus juste aux performances recherchées.

Ainsi par exemple l’impact des propriétés magnétiques de l’aimant sur la conception du moteur est bien connu ; un aimant plus performant offre le potentiel de réduire sa taille pour une puissance donnée, ou fournit plus de puissance pour une même taille [DESHPANDE 03] (dans la limite de la capacité des matériaux doux à conduire le flux).

1.4.2 Contraintes industrielles et économiques

La production en grande série, impose un processus de fabrication avec des opérations courtes et automatisées afin que les coûts de main d’œuvre et de valeur ajoutée par pièce soient minimaux. Dès lors, le poids des investissements est tel qu’il entraîne une standardisation que devra respecter le concepteur (diamètre des induits...). Dans tous les cas, les contraintes de faisabilité données principalement par le processus de fabrication (tolérances de fabrication...) ont un rôle essentiel dans la recherche de solutions viables. Ainsi la faisabilité d’un segment ferrite va caractériser son coût et sa qualité (coût du rejet de pièces non conformes).

La politique de réduction des coûts a aussi nécessairement une répercussion sur le choix des matériaux employés pour la fabrication des moteurs électriques : nuance de tôle et d’aimant... Ainsi le concepteur devra être capable de choisir les matériaux les plus économiques en regard des performances visées.

Enfin, le délai de conception et de développement d’un produit comme l’inducteur doit être le plus court possible, afin de répondre au plus vite à un besoin du client, réduire les coûts de développement et ainsi gagner de nouveaux marchés.

1.5 Méthodologie de conception de l’inducteur

Nous avons vu la complexité et la diversité des contraintes lors de la conception d’un inducteur pour auxiliaire automobile. Pour pouvoir les respecter toutes, il est nécessaire de s’appuyer sur une méthodologie de conception adaptée.

1.5.1 Principales étapes du processus de conception

De manière générale, le déroulement du processus de conception s’articule autour des trois préoccupations incontournables que constituent, tour à tour, la formulation du cahier des charges traduisant le besoin auquel doit répondre le dispositif, la définition d’une structure répondant à ce besoin et, enfin, la détermination des éléments quantitatifs, caractéristiques du dispositif recherché (cf.

Fig. 1.4).

Chapitre 1 Contexte et problématique de l’étude

21

Phase de prototypage Définition du cahier des charges

Expression du besoin fonctionnel initial

Choix de la structure

« Prédimensionnement » de différentes structures envisageables

Dimensionnement de la structure

Détermination précise des dimensions et matériaux

« Solution potentielle »

Validation numérique

Vérification d’aspects négligés lors du dimensionnement

Fig. 1.4– Organigramme général du processus de conception.

Dans le cas de la conception d’un inducteur pour auxiliaire automobile, la démarche de conception est la suivante :

— La première opération consiste à exprimer clairement le besoin fonctionnel initial de création de flux, ainsi que les contraintes d’ordre technique, industrielle ou économique de l’inducteur au sein du moteur électrique. Quoique bien souvent négligée, cette étape de définition du cahier des charges est décisive, quant à la pertinence de la solution finalement obtenue (la meilleure solution, certes, mais pour le « bon » problème).

— Une fois le besoin formulé, il s’agit de définir la structure répondant le mieux au cahier des charges. La structure qui est généralement retenue pour les inducteurs d’auxiliaire automobile est une culasse cylindrique avec des aimants ferrites en forme de segments aimantés radialement et placés directement, sans pièces polaires, au niveau de l’entrefer (cf. Fig. 1.5).

Fig. 1.5– Structure d’un inducteur deux pôles pour un moteur d’auxiliaire automobile. L’inducteur est

le stator pour un moteur à courant continu et le rotor pour un moteur brushless à rotor extérieur.

Contexte et problématique de l’étude

22

Ce choix résulte d’une évolution de la forme classique des aimants vers des segments de plus grande surface polaire et de faible épaisseur. Ceci permet d’adapter les moteurs électriques aux caractéristiques magnétiques des ferrites, dont l’induction rémanente reste relativement faible, mais le champ coercitif s’est considérablement amélioré par rapport aux premiers aimants ferrites. C’est ce type de structure qui va nous intéresser tout au long de ce travail. Quelques exemples de réalisation de segments ferrites et d’inducteurs par UGIMAG sont donnés Fig. 1.6.

Fig. 1.6– Différentes géométries de segments ferrites (a) et inducteurs pour moteurs d’auxiliaire automobile ; inducteur pour moteur brushless de refroidissement moteur (b) inducteur pour moteur à courant continu de démarreur (c).

— Une fois la structure fixée, il s’agit de déterminer les grandeurs géométriques et physiques de l’inducteur/moteur pour atteindre quantitativement les spécifications visées (flux, couple, encombrement…), tout en respectant les objectifs de conception mis en avant (critères technico-économiques, etc.). Pour cela il faut disposer d’un modèle de l’inducteur/moteur. L’opération de dimensionnement consiste alors à mettre au point une méthodologie afin de réaliser l’inversion du modèle. Cette étape reste pour nous, la plus complexe du processus de conception des inducteurs à cause du nombre sans cesse croissant des paramètres du cahier des charges qui se trouvent étroitement couplés au sein d’une démarche impliquant, par principe, de nombreuses itérations.

À l’issue de l’étape de dimensionnement, la "solution potentielle" obtenue doit enfin être validée et affinée, en considérant éventuellement des aspects avancés, négligés jusqu'alors, avant que ne puisse être raisonnablement lancée la phase de prototypage. À ce stade, il peut s’avérer nécessaire de remettre en cause les résultats acquis au cours des précédentes étapes, tant en ce qui concerne le dimensionnement de l’inducteur que la formulation du cahier des charges considéré.

(b)

(a) (c)

Chapitre 1 Contexte et problématique de l’étude

23

1.5.2 Nécessité d’un logiciel d’aide au dimensionnement

Au vu des nombreuses contraintes imposées par le contexte automobile et de la complexité du processus de dimensionnement, on comprend bien la nécessité pour un fabricant d’aimants, de disposer d’un outil informatique d’aide au dimensionnement. Cet outil doit intégrer des contraintes techniques, industrielles et économiques afin de répondre rapidement par une solution technico-économique viable à un cahier des charges prédéfini (coût et performances visés) (cf. Fig. 1.7).

Contraintes industrielles et économiques

Contraintes techniques

Performances objectives : Flux/Couple, désaimantation…

Coût et faisabilité objectifs

Outil de Dimensionnement

Dimensions

Matériaux

Fig. 1.7– Schéma du processus de dimensionnement du moteur.

Les avantages apportés par la Conception Assistée par Ordinateur (CAO) pour aider le concepteur lors du dimensionnement de l’inducteur sont évidents :

— La capacité d’exploration automatique de l’espace des solutions ; ceci permet l’investigation d’un nombre de solutions plus élevé que celui permis par la réalisation expérimentale de prototypes coûteux.

— La gestion des contraintes du cahier des charges ; leur nombre élevé est difficilement gérable autrement.

— Le gain de temps ; la rapidité de l’outil informatique contribue à raccourcir les délais de conception.

Pour la réalisation d’un tel logiciel d’aide au dimensionnement, il faut disposer d’un modèle de l’inducteur/moteur et d’une méthodologie capable de réaliser l’inversion du modèle.

1.5.3 Les modèles d’aide au dimensionnement

Les modèles "d’aide au dimensionnement" d’un moteur électrique peuvent se classer selon deux grandes familles : les modèles numériques et les modèles analytiques. Nous allons évaluer les principaux intérêts et inconvénients de chacun dans un processus de dimensionnement.

Les modèles numériques

Les méthodes numériques comme les éléments finis, les différences finis ou les

intégrales de frontière, résolvent directement les équations physiques de base du

système à dimensionner en utilisant des algorithmes mathématiques relativement

complexes.

Contexte et problématique de l’étude

24

A partir de la discrétisation de la géométrie du système à étudier en petites régions (mailles), des caractéristiques des matériaux qui le composent et en utilisant les conditions aux limites du problème, ces méthodes nous donnent les performances (telles que le couple moyen ou la puissance d’un moteur) et les cartes de champ dans toute la géométrie.

Il existe ainsi des logiciels éléments finis intégrant des modules magnétostatique et magnétodynamique, traitant aussi bien des problèmes bidimensionnels [FLUX2D]

que tridimensionnels [FLUX3D].

Ces modèles numériques présentent de nombreux avantages :

— Une grande précision dans l’évaluation des performances du moteur, cela d’autant plus que le maillage est fin.

— L’accès aux grandeurs locales.

— Un nombre d’hypothèses très faible sur la géométrie, les matériaux...

Souvent très génériques, ils peuvent traiter des structures de moteurs très différentes et avec des géométries complexes. Ils permettent également une bonne prise en compte des propriétés physiques des matériaux (non linéarité, approche à saturation, etc ...).

En contrepartie, ces modèles présentent quelques limitations :

— La lourdeur des calculs mis en œuvre et la nécessité de réaliser un maillage de la géométrie font que ces modèles sont longs à mettre en place et à utiliser.

— Les contraintes industrielles et économiques ne peuvent pas être prises en compte par ce type de logiciels.

En effet, l’inconvénient majeur de ces modèles est que dans leur grande majorité ils servent à décrire, manipuler, analyser ou simuler numériquement les multiples représentations des objets à concevoir. Leur objectif principal est d’aider à valider techniquement les solutions proposées par le concepteur à l’issue de l’étape de dimensionnement. En réalité, ils ne participent pas activement aux nombreuses prises de décision que comporte tout processus de dimensionnement et, surtout, ils sont incapables de modifier par eux-mêmes la géométrie de l’objet à concevoir en fonction d’objectifs fixés a priori [SABONNADIERE]. En conséquence on doit plutôt les considérer comme des outils d’analyse (ou de calcul) performants.

Les modèles analytiques

Un modèle analytique est un ensemble d’équations paramétrées qui décrivent le fonctionnement d’un système ; dans notre cas, l’inducteur et le moteur électrique.

Les avantages des modèles analytiques sont nombreux :

— Ils permettent d’obtenir les performances de la machine de façon assez correcte.

— Une fois le modèle analytique connu, les performances du moteur peuvent

être obtenues très rapidement. On peut alors facilement explorer de nombreuses

solutions en faisant varier les paramètres du modèle.

Chapitre 1 Contexte et problématique de l’étude

25

— Il est facile de connaître la sensibilité d’un paramètre par rapport à un autre grâce aux dérivées partielles calculées de façon analytique.

— Ils sont capables de prendre en compte les aspects techniques (modèle de performance du moteur) mais également les aspects industriels et économiques.

Par contre, ils présentent eux aussi quelques limitations :

— La complexité des phénomènes physiques dans un moteur électrique oblige à utiliser de nombreuses hypothèses simplificatrices, aussi bien au niveau de la géométrie que des caractéristiques des matériaux employés. Plus le modèle est complexe, plus sa mise en œuvre sera longue ;

— Ils ne sont pas génériques ; le changement de type de moteur implique le développement d’un nouveau modèle.

L’intérêt fondamental des modèles analytiques par rapport aux modèles numériques est qu’en les associant à une méthodologie de dimensionnement par optimisation (§ 1.5.5), on dispose d’un véritable outil de dimensionnement, et non plus seulement d’un outil d’analyse des performances du moteur. On peut alors répondre au problème posé (cf. Fig. 1.7) : le dimensionnement technico-économique optimal de l’inducteur/moteur dans le respect du cahier des charges.

1.5.4 Méthodologie de dimensionnement par optimisation

L’enjeu technico-économique est si important dans le dimensionnement des moteurs électriques que de nombreux auteurs se sont penchés sur différentes techniques de dimensionnement [BIANCHI 02] [PERRIARD 02] [FUJISHIMA 02]

[GASC 02] [FITAN 02] [HIGUCHI 02]...

En effet, quand on cherche à dimensionner un inducteur/moteur, il existe souvent un grand nombre de solutions possibles respectant le cahier des charges.

Mais celle qui est recherchée est la solution optimale, c'est-à-dire, celle qui minimise, par exemple le coût, la fonction de calcul de coût devenant alors la fonction objectif. En effet, de nombreux auteurs ont montré l’équivalence entre un problème de dimensionnement d’une machine électrique et le problème de l’optimisation sous contraintes [ESPANET 99] [KONE 93] [WURTZ 96]... Cependant le dimensionnement par optimisation, nécessite un point de départ, pour amorcer le processus d’exploration de l’espace des solutions. Dans notre cas, ce n’est pas un problème car dans l’automobile, on ne crée que très rarement un produit totalement nouveau. En général, on part d’un moteur existant qu’on cherche à adapter à un nouveau cahier des charges.

1.5.5 Dimensionnement par optimisation à l’aide de pro@DESIGN

Pro@DESIGN est un logiciel conçu pour le dimensionnement par optimisation de

produits industriels grâce au traitement automatique et symbolique des modèles

analytiques [PRO@DESIGN]. Il génère automatiquement un code de calcul à partir

de ces modèles analytiques représentant un dispositif à dimensionner, et calcule une

solution optimisée pour des problèmes fortement contraints grâce à la méthode du

Contexte et problématique de l’étude

26

gradient. Ce logiciel est une version commerciale dérivée d’un logiciel antérieur développé au LEG (PASCOMA, [WURTZ 96]).

Le choix d’utilisation de ce logiciel pour réaliser l’outil de dimensionnement recherché présente plusieurs intérêts :

— L’outil d’optimisation sous contraintes de l’inducteur/moteur est généré de façon automatique et transparente par pro@DESIGN. Ainsi l’utilisateur doit uniquement introduire les équations de son modèle analytique et le temps de développement de l’outil informatique de dimensionnement est réduit à celui du modèle analytique.

— Le logiciel recherche la solution du problème d’optimisation sous contraintes par la méthode du gradient. Cette méthode est basée sur la connaissance d’une direction de recherche, trouvée en utilisant l’information fournie par les dérivées partielles de la fonction objectif et des fonctions soumises à des contraintes.

Elle se révèle être particulièrement efficace en termes de temps de calcul et de précision de convergence grâce à la détermination sous forme symbolique exacte des dérivées partielles [WURTZ 96].

— L’interface graphique permet de modifier facilement le cahier des charges et de vérifier rapidement sa cohérence. L’interactivité de l’interface permet aussi de faire participer l’équipementier automobile, constructeur du moteur électrique, au processus de dimensionnement de l’inducteur.

Les limites de cette approche sont celles des modèles analytiques et des méthodes du gradient :

— Il est nécessaire de décrire le moteur à travers un modèle analytique.

— Il faut posséder un point de départ, ce qui n’est pas un frein dans notre cas.

— La méthode du gradient peut converger vers un optimum local et ne sait pas gérer les paramètres discrets.

En définitive, l’utilisation de ce logiciel déjà disponible va nous permettre de gagner en temps, fiabilité, convivialité.... et nous pouvons ainsi nous concentrer sur l’élaboration des modèles analytiques du moteur. Notre objectif sera de développer un modèle analytique de l’inducteur/moteur le plus précis possible capable de prendre en compte les contraintes techniques mais également les contraintes industrielles et économiques.

1.6 Procédure d’optimisation des inducteurs/moteurs

La procédure d’optimisation des inducteurs/moteurs que nous allons mettre en place est décrite dans les différentes étapes de l’organigramme de la Fig. 1.8.

La première étape consiste à mettre en œuvre un modèle analytique technique,

industriel et économique de l’inducteur/moteur. C’est le cœur de ce travail de thèse

et une étape très importante, car la pertinence des résultats de l’optimisation dépend

de la capacité du modèle à traduire la réalité du moteur électrique.

Chapitre 1 Contexte et problématique de l’étude

27

Ce modèle sert de base à pro@DESIGN pour générer automatiquement l’outil de dimensionnement par optimisation. Cet outil nous permettra d’optimiser l’inducteur/moteur pour un cahier des charges et une fonction objectif prédéfinis.

Finalement, la solution obtenue lors de l’optimisation doit être validée par des simulations numériques ou des mesures expérimentales pour caractériser plus finement la solution obtenue. Cette validation est nécessaire afin de vérifier que l’on reste dans les limites de validité du modèle analytique du moteur [WURTZ 98].

D’autant plus que, comme on le verra par la suite, l’algorithme d’optimisation trouve souvent des solutions au voisinage de ces limites de validité. En effet, il faut que la solution obtenue soit conforme à la réalité, au regard des nombreuses hypothèses simplificatrices faites lors de la mise en place du modèle.

Génération automatique du logiciel de dimensionnement par optimisation grâce à

pro@DESIGN

Optimisation de l’inducteur/moteur conformément au cahier des charges

Validation de l’optimisation à l’aide d’un calcul numérique ou de l’expérience Modèle analytique complet de l’inducteur/moteur

Modèle industriel et économique de l’inducteur/moteur Modèle technique

l’inducteur/moteurde

Fig. 1.8– Organigramme de la procédure d’optimisation des inducteurs/moteurs. Le principal apport du travail de thèse est le développement des modèles analytiques de l’inducteur/moteur (en trait double).

1.7 Conclusion

Nous avons mis en évidence dans ce chapitre le besoin pour les fabricants d’aimants de disposer d’un outil informatique d’aide au dimensionnement des inducteurs pour moteurs électriques d’auxiliaire automobile ; c’est l’objet de ce travail de thèse.

Pour réaliser cet outil, nous avons choisi une procédure de dimensionnement par optimisation à partir d’un modèle analytique et d’une méthode du gradient, pour son efficacité en terme de rapidité et de qualité des solutions proposées. L’utilisation de pro@DESIGN pour générer l’outil de dimensionnement, ramène l’essentiel de notre travail à l’élaboration du modèle analytique décrivant l’inducteur/moteur.

En définitive, l’objectif de cet outil est de libérer le concepteur des taches pénibles

et répétitives, que réalise mieux l’ordinateur, pour lui permettre de se concentrer sur

la physique du problème et l’analyse critique des solutions proposées par l’outil.

28

Chapitre 2

Contraintes industrielles de fabrication des segments

ferrites

Chapitre 2 Contraintes industrielles de fabrication des segments ferrites

31

2.1 Introduction

Ce chapitre est consacré à l’examen des contraintes et difficultés que pose la réalisation pratique des segments ferrites pour inducteurs d’auxiliaire automobile.

Après un bref rappel sur les matériaux magnétiques, nous nous intéresserons plus concrètement aux propriétés des aimants ferrites. Ces propriétés vont nous permettre de connaître les possibilités et limites de ces matériaux, afin de choisir la nuance de ferrite la mieux adaptée à l’application visée.

Enfin, nous détaillerons le processus de fabrication des segments ferrites. On verra comment celui-ci impose des contraintes qui vont définir la faisabilité et influencer le coût des segments ferrites. Alors, un modèle analytique prenant en compte la faisabilité industrielle et l’aspect économique du segment ferrite sera présenté, en vue de concevoir un inducteur viable du point de vue industriel.

2.1.1 Les matériaux pour aimants : cycle d’hystérésis

Les matériaux pour aimants sont principalement caractérisés par leurs cycles d’hystérésis. Celui-ci doit être aussi large que possible, afin que l’aimant puisse conserver son aimantation même en présence d’un environnement défavorable.

Chapitre 2

Contraintes industrielles de fabrication des

segments ferrites

Contraintes industrielles de fabrication des segments ferrites

32

Il existe deux représentations du cycle d’hystérésis ; en induction B(H) et en polarisation J(H). Le passage d’une représentation à une autre se fait à partir de la relation :

J H

B = µ

+ _(2.1)

avec le champ H exprimé en A/m et l’induction B ainsi que la polarisation J exprimées en Tesla.

Dans un aimant, le champ H est généralement démagnétisant, c’est-à-dire qu’il s’oppose à B et J, et seule la partie du cycle d’hystérésis appartenant au second quadrant est représentée sous la dénomination de courbe de désaimantation (cf. Fig.

2.1).

H J et B B

= J

H

H

D

B

H

0.9 B

H

(BH)

Fig. 2.1– Courbe de désaimantation d’un aimant (second quadrant du cycle d’hystérésis).

Cette courbe donne les principaux paramètres magnétiques d’un aimant :

— La polarisation rémanente J

, qui est égale à l’induction rémanente B

, est la polarisation résiduelle en champ nul.

— Le champ coercitif H

est le champ démagnétisant nécessaire pour annuler la polarisation, et le champ coercitif H

celui qui annule l’induction. Plus la valeur de H

est élevée, plus l’aimant est stable vis-à-vis de la désaimantation.

— Le champ H

qui est un bon indicateur de la "rectangularité" de la courbe de désaimantation. Ce champ H

correspond généralement à la valeur donnée pour 0.9 fois l’induction rémanente.

— Le produit (BH)

d’un aimant définit sa valeur énergétique par unité de volume. Les valeurs H

et B

définissent le point de fonctionnement correspondant à (BH)

.

On peut classer les différents types d’aimants en fonction de ces paramètres. Ce

sont principalement ceux-ci qui vont déterminer le choix du concepteur.

Chapitre 2 Contraintes industrielles de fabrication des segments ferrites

33

2.2 Les aimants ferrites et leurs propriétés

Les aimants ferrites sont issus des études concernant le ferrimagnétisme et les grains fins monodomaines. Ils ont été développés et commercialisés en premier dans les années 50 par la société Philips de Eindhoven (Pays-Bas). Depuis, ils sont devenus les aimants les plus utilisés dans le monde. Ce sont en effet, les aimants utilisés dans les moteurs d’auxiliaire automobile, en raison de leur faible prix qui compense la petite valeur de leur induction rémanente, de l’ordre de 0,4 T. Leur champ coercitif est par contre, relativement élevé, 200 à 400 kA/m (cf. Fig. 2.2).

0 200 400

1 10 100

(BH)

Energie volumique (kJ/m

) Coût (€/J)

SmCo AlNiCo

Ferrites

NdFeB

Fig. 2.2– Coût en fonction de l’énergie volumique des principaux aimants [LACHEISSERIE 99].

2.2.1 Différentes nuances d’aimants ferrites

Les grands fabricants d’aimants ferrites proposent un large échantillon de nuances d’aimants ferrites correspondant à un choix industriel dépendant du process. Pour caractériser la qualité de ces nuances, on peut définir l’indice de performance IP (2.2 et 2.3). Cet indice établit un compromis entre l’induction rémanente et le champ coercitif, et permet de classer les nuances en familles. Chaque famille définit donc un compromis en terme de coût et performance. A titre d’exemple la Fig. 2.3 montre les différentes familles de nuances fabriquées par Ugimag.

(kA/m) H

0.5 (mT)

B

+

IP = (2.2)

(kA/m) H

0.65 (mT)

B

11

FXD

= +

IP _(2.3)

Contraintes industrielles de fabrication des segments ferrites

34

IP

IP

IP

IP

Fig. 2.3– Induction rémanente B

et champ coercitif H

pour différentes nuances d’aimants ferrites fabriquées par Ugimag [UGIMAG].

Afin de répondre aux évolutions technologiques des moteurs électriques, les ferrites sont restés en perpétuel développement. Ainsi les nuances appelées "haut de gamme", les plus récemment industrialisées, ont des performances magnétiques significativement améliorées, grâce à l’utilisation d’additifs comme le Cr-Co (FXD 8) ou le La-Co (FXD 11) [MOREL 02].

En définitive, la diversité des nuances augmentent les possibilités d’utilisation des aimants ferrites et offrent au concepteur un choix plus ample. Ce choix, un des points clefs de la conception d’un inducteur, est étroitement lié à la géométrie de l’aimant ainsi qu’au cahier des charges du moteur électrique. Par exemple, les nuances FXD 11 sont intéressantes du point de vue technico-économique essentiellement pour des applications où l’on a des champs inverses importants, car si l’augmentation du champ coercitif est importante, l’augmentation de l’induction rémanente reste faible [BRASSARD 03].

2.2.2 Tenue en température

Les ferrites sont sensibles à la température car ils ont une température de Curie assez basse d’environ 460°C. En pratique on ne peut pas les utiliser au-delà de 200°C.

L’influence de la température sur les propriétés magnétiques des aimants ferrites est importante :

— pour l’induction rémanente B

, ∆B

/(B

∆T) = – 0,2 %/°C ;

— pour le champ coercitif H

, ∆H

/H

= 1 (kA/m)/°C (ferrite de strontium).

Cela signifie qu’entre –20°C et 120°C, on constate une baisse relative de

l’induction rémanente dans l’aimant de 20%, ce qui est considérable. Quand la

température s’élève, l’induction rémanente diminue, en revanche l’aimant ferrite

gagne en stabilité, car le champ coercitif augmente. Par contre, à basse température,

le champ coercitif diminue notablement, ce qui peut entraîner la désaimantation de

Chapitre 2 Contraintes industrielles de fabrication des segments ferrites

35

l’aimant. Ceci est un inconvénient pour un grand nombre de moteurs électriques d’auxiliaire automobile qui doivent pouvoir fonctionner à des températures de – 40°C. Il faut alors que l’aimant ferrite ait un champ coercitif suffisamment élevé, afin d’éviter une désaimantation partielle irréversible trop importante. La Fig. 2.4 montre l’évolution de la polarisation à saturation et du champ d’anisotropie avec la température pour le ferrite de baryum.

Fig. 2.4– Variations thermiques de la polarisation magnétique à saturation J

et du champ d’anisotropie uniaxiale H

pour le composé BaO 6Fe

O

[PAUTHENET 59] et [SHIRK 71].

2.2.3 Autres propriétés intrinsèques des aimants ferrites

Si les aimants ferrites sont choisis pour leur faible coût et leurs propriétés magnétiques intéressantes, d’autres critères peuvent être importants pour la fabrication d’un inducteur, comme par exemple les propriétés mécaniques ou physico-chimiques.

Propriétés mécaniques

Les aimants ferrites sont des céramiques, c’est-à-dire des matériaux très durs mais fragiles (ils ne supportant pas les chocs). Ils sont également peu résistants aux efforts de traction (limités à 2 ou 3 kg/mm

) et aux efforts de cisaillements.

Propriétés physico-chimiques

Les ferrites sont des oxydes et, de ce fait, sont très stables chimiquement. En effet, ils ne sont attaqués et que difficilement dissous par les acides forts. Leur stabilité chimique dans le temps est illimitée, il n’y a donc pas de vieillissement des propriétés magnétiques. Il s’agit d’isolants électriques qui ne sont pas sujet à la corrosion et à l’oxydation.

Une dernière propriété intéressante est la masse volumique ( ∼ 4800 kg/m

pour les aimants ferrites), dont il faut tenir compte dans les moteurs électriques. Ainsi à volume égal d’aimant, la masse des aimants ferrites est inférieure à celle des autres types d’aimants.

2.3 Fabrication des segments ferrites

Ce matériau existe à l’état naturel sous forme de ferrite de plomb, découvert dans

les années 30. Ils cristallisent dans un système compliqué, de symétrie hexagonale

Contraintes industrielles de fabrication des segments ferrites

36

appelée magnétoplombite (PbO,6Fe

O

) avec comme direction d’aimantation préférentielle l’axe c du cristal.

Dans les aimants synthétiques fabriqués de nos jours, le plomb a été remplacé par du baryum ou du strontium. Dans notre cas, on s’intéressera plus particulièrement aux ferrites de strontium, car plus coercitifs et aux ferrites anisotropes (cf. 2.4.2), car plus rémanents. En effet, ce sont les ferrites employés dans la fabrication de segments pour moteurs électriques.

Les techniques d’élaboration des aimants reposent sur l’augmentation de la coercitivité associée à la division d’un matériau en grains fins. La méthode la plus classique est celle de la métallurgie des poudres. Les différentes étapes du procédé de fabrication des segments ferrites sont présentées dans la figure suivante (cf. Fig. 2.5) [HAUSSONNE 02] [LACROUX 89] [LEPRINCE].

Fig. 2.5– Etapes de fabrication des segments ferrites [FERROXDURE].

L’oxyde de fer et le carbonate de strontium réagissent ensemble dans un four rotatif à

∼ 1250 °C.

Le ferrite de strontium est soumis au processus de broyage aboutissant à une poudre humide.

La poudre est injectée dans une presse sous un champ magnétique d’alignement et compressée en "pièces à vert".

Les "pièces à vert" sont frittées dans un four à flux continu à ∼ 1250 °C.

Calcination

Pressage

Usinage Frittage Broyage

sud nord Oxyde de fer

Carbonate de strontium

clinker

poudre

Inducteurs Segments

ferrites

pièces usinées pièces à

vert

Assemblage

Les pièces frittées sont usinées, emballées

et expédiées ou utilisées dans le processus

d’assemblage d’inducteurs.

Chapitre 2 Contraintes industrielles de fabrication des segments ferrites

37

2.3.1 Préparation des poudres : calcination et broyage

Dans une première étape, les matériaux de départ, principalement des oxydes et des carbonates (comme Fe

O

et Sr CO

), sont finement broyés, et mélangés en proportions convenables. Ce mélange est porté à une température proche de la température de fusion (de l’ordre de 1250°C), afin d’effectuer la réaction à l’état solide entre les constituants :

Sr CO

+ 6 Fe

O

⇒ Sr Fe

O

+ CO

Il y a alors formation du ferrite. Le ferrite obtenu est ensuite broyé, en présence d’eau, jusqu'à obtention d’une pâte (barbotine), dans laquelle les grains de ferrite, en forme de plaquettes perpendiculaires à l’axe c du cristal, doivent être aussi petits et de tailles aussi uniforme que possible. Le broyage fin en complément permet d’obtenir une granulométrie inférieure au micromètre, ce qui correspond à la dimension moyenne théorique des domaines de Weiss représentant les aimants élémentaires. Les champs coercitifs les plus élevés sont obtenus quand les particules ont une taille de l’ordre de 0,5 micromètre.

2.3.2 Pressage

La poudre encore humide, avec 30 à 40% d’eau, est alors comprimée dans des outillages qui ont plusieurs empreintes et dont la forme épouse celle du segment à fabriquer. Chaque empreinte est refermée par un poinçon inférieur et un poinçon supérieur. On peut décomposer le processus de pressage du segment en plusieurs étapes : injection de la pâte, orientation, filtration et compression (cf. Fig. 2.6).

Outil de compression Poinçon

inférieur Poinçon supérieur

Injection pâte

Poinçon inférieur Poinçon supérieur

Outil de compression

Outil de compression Poinçon

inférieur Poinçon supérieur

(a) Injection de la pâte (b) Orientation et filtration (c) Compression

Fig. 2.6– Etapes de compression du segment. Les flèches en pointillés indiquent le mouvement du

poinçon inférieur et les flèches pleines indiquent le déplacement de la pâte (a) ou de l’eau (b et c). (a)

La pâte est introduite à l’intérieur de l’empreinte. (b) L’application d’un champ magnétique permet

l’orientation des grains et le mouvement du poinçon inférieur permet le filtrage de l’eau par les

lumières du poinçon supérieur. (c) Le poinçon inférieur continue son mouvement jusqu'à la

compression totale du segment.

Contraintes industrielles de fabrication des segments ferrites

38

Le processus de pressage s’effectue en présence d’un champ magnétique afin d’orienter les grains et ainsi augmenter la valeur de la rémanence du segment. Ce champ doit être aussi homogène que possible dans l’empreinte afin d’éviter des fissures dans le segment. Les propriétés magnétiques sont alors supérieures dans la direction de l’orientation qui est généralement radiale pour les segments (cf. Fig. 2.7).

Seuls les cristaux correspondant à des monodomaines de Weiss et ayant un certain degré de liberté les uns par rapport aux autres peuvent s’orienter. La présence d’eau permet de favoriser l’orientation des cristaux en suspension dans la solution.

Avec les techniques de broyage actuelles, on obtient un taux d’orientation supérieur à 90 %. Les segments ferrites ainsi fabriqués sont appelés anisotropes, c’est- à-dire qu’ils n’ont pas les mêmes propriétés dans toutes les directions. Par contre si, au cours de la mise en forme, aucun champ extérieur n’est appliqué, on obtient des ferrites isotropes.

En fin de compression, la plus grande partie de l’eau a été évacuée par des orifices au niveau du poinçon supérieur, et on obtient des segments "à vert" avec 10- 15% d’eau.

Matériau non aimanté Matériau dans un champ magnétique à

saturation

Matériau après saturation sans champ magnétique

externe

Cristaux non orientés

Cristaux orientés

Fig. 2.7– Comportement pour des cristaux orientés et non orientés. Les rectangles représentent les coupes des cristaux en forme de plaquettes et les flèches leurs moments magnétiques, qui ont une orientation préférentielle perpendiculaire à la plaquette [LEPRINCE].

2.3.3 Frittage

Les segments "à vert", sont ensuite portés à haute température pour réaliser leur

frittage. Cette température est plus ou moins élevée (entre 1200°C et 1300°C) selon

que l’on désire favoriser l’induction rémanente (frittage "chaud" qui fait grossir le

grain) ou le champ coercitif (frittage "froid").